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JPS5910487B2 - force transducer - Google Patents
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JPS5910487B2 - force transducer - Google Patents

force transducer

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Publication number
JPS5910487B2
JPS5910487B2 JP208779A JP208779A JPS5910487B2 JP S5910487 B2 JPS5910487 B2 JP S5910487B2 JP 208779 A JP208779 A JP 208779A JP 208779 A JP208779 A JP 208779A JP S5910487 B2 JPS5910487 B2 JP S5910487B2
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JP
Japan
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vibrator
force
force transducer
vibration
signal
Prior art date
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Expired
Application number
JP208779A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5594124A (en
Inventor
恭一 池田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Hokushin Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Yokogawa Hokushin Electric Corp filed Critical Yokogawa Hokushin Electric Corp
Priority to JP208779A priority Critical patent/JPS5910487B2/en
Publication of JPS5594124A publication Critical patent/JPS5594124A/en
Publication of JPS5910487B2 publication Critical patent/JPS5910487B2/en
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、力を振動子に与えこの振動子の固有振動数か
ら上記力に対応した信号を得るような力変換器に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a force transducer that applies force to a vibrator and obtains a signal corresponding to the force from the natural frequency of the vibrator.

従来のこの種の力変換器は温度特性が悪い。Conventional force transducers of this type have poor temperature characteristics.

この理由は、温度変化によって振動子(バネ用金属)の
ヤング率が変化し、固有振動数が変化するからである。
The reason for this is that the Young's modulus of the vibrator (spring metal) changes due to temperature changes, and the natural frequency changes.

また、ヤング率の経時変化からドリフトが生ずるという
問題点もある。
Another problem is that drift occurs due to changes in Young's modulus over time.

本発明の目的は、上記問題点を解決すること、すなわち
、温度特性に勝れドリフトも生じない振動式密度計を提
供することにある。
An object of the present invention is to solve the above problems, that is, to provide a vibrating density meter that has excellent temperature characteristics and does not cause drift.

以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。The present invention will be described in detail below using the drawings.

図は本発明に係る力変換器の一実施例を示す構成図であ
る。
The figure is a configuration diagram showing an embodiment of a force transducer according to the present invention.

図において、1は一端が固定され他端に被変換(被測定
)力が与えられる板状振動子である。
In the figure, reference numeral 1 denotes a plate-shaped vibrator with one end fixed and a force to be converted (measured) applied to the other end.

実際に振動子として動作する部分は中央の薄肉部101
である。
The part that actually operates as a vibrator is the central thin part 101
It is.

2,3は振動検出用圧電素子、4,5は駆動用圧電素子
である。
2 and 3 are piezoelectric elements for vibration detection, and 4 and 5 are piezoelectric elements for driving.

圧電素子2.3と圧電素子4,5は逆極性になっている
The piezoelectric element 2.3 and the piezoelectric elements 4, 5 have opposite polarities.

圧電素子2,4は薄肉部101の一方の端部に対向して
取り付けられ、圧電素子3,5は薄肉部101の他方の
端部に対向して取り付けられている。
The piezoelectric elements 2 and 4 are attached to face each other at one end of the thin part 101, and the piezoelectric elements 3 and 5 are attached to face each other to the other end of the thin part 101.

6,7はそれぞれ圧電素子2,3の出力信号を受けるチ
ャージアンプ、8,9はチャージアンプ7の出力信号に
一定値をかげる係数回路、10はチャージアンプ6およ
び係数回路8の出力信号を加算する加算回路、11はチ
ャージアンプ6の出力信号から係数回路9の出力信号を
引(引算回路である。
6 and 7 are charge amplifiers that receive the output signals of the piezoelectric elements 2 and 3, respectively; 8 and 9 are coefficient circuits that subtract a certain value from the output signals of the charge amplifier 7; and 10 are coefficient circuits that add the output signals of the charge amplifier 6 and the coefficient circuit 8. An adder circuit 11 subtracts the output signal of the coefficient circuit 9 from the output signal of the charge amplifier 6 (it is a subtraction circuit).

また、12,13は2次以下の振動モードの周波数を通
すローパスフィルタ、14゜15はそれぞれローパスフ
ィルタ12,130出力信号を受は振幅一定の電圧を出
力するアンプである。
Further, 12 and 13 are low-pass filters that pass frequencies of vibration modes of the second order or lower, and 14 and 15 are amplifiers that receive the output signals of the low-pass filters 12 and 130, respectively, and output voltages with constant amplitudes.

16はアンプ14,15の出力信号を加算したものを圧
電素子4に印加する加算回路、17はアンプ14の出力
信号からアンプ15の出力信号を引いたものを圧電素子
5に印加する引算回路、18はアンプ14 、15)出
力信号Ve 、 Vf ヲ受げて被変換力Fに対応した
信号を出力する出力回路である。
16 is an addition circuit that applies the sum of the output signals of the amplifiers 14 and 15 to the piezoelectric element 4; 17 is a subtraction circuit that applies the result obtained by subtracting the output signal of the amplifier 15 from the output signal of the amplifier 14 to the piezoelectric element 5. , 18 are output circuits that receive the output signals Ve, Vf of the amplifiers 14, 15) and output a signal corresponding to the power to be converted F.

上記圧電素子2〜5、チャージアンプ6.7、係数回路
8,9、加算回路10,16、引算回路IL17、ロー
パスフィルタ12.13、およびアンプ14,15は、
振動子1を駆動させるための駆動部を成す。
The piezoelectric elements 2 to 5, the charge amplifier 6.7, the coefficient circuits 8 and 9, the addition circuits 10 and 16, the subtraction circuit IL17, the low-pass filter 12.13, and the amplifiers 14 and 15 are as follows:
It constitutes a driving section for driving the vibrator 1.

この駆動部および振動子1でなる閉ループ上の一点から
出た信号と、この信号が一巡して戻った信号との間には
、1次および2次の振動モードの信号分に関して(正確
には、フィルタ12側を通る信号については1次の、ま
たフィルタ13側を通る信号については2次の各振動モ
ードについての信号分に関して)、はとんど位相差が生
じないように、駆動部が構成されている。
There is a difference between the signal output from one point on the closed loop made up of the drive unit and the vibrator 1 and the signal returned after completing one cycle with respect to the signal components of the primary and secondary vibration modes (more precisely, , for the signal passing through the filter 12 side, the first-order vibration mode, and for the signal passing through the filter 13 side, the second-order vibration mode). It is configured.

したがって、定常動作状態においては、チャージアンプ
6.7から、次に示す信号Va 、 Vbが出力される
Therefore, in the steady state of operation, the charge amplifier 6.7 outputs the following signals Va and Vb.

上記係数回路8,9の具体的構成は、チャージアンプ7
の出力信号に、それぞれm2/ m2′、m 17 m
1’なる値(m2とm 2’とは同一モードの信号分
、mlとml’とは同一モードの信号分であるから、こ
れらの比は一定といえる)をかげるようになっている(
m1=m1′、m2 = m2’であれば係数回路8゜
9は不要)。
The specific configuration of the coefficient circuits 8 and 9 is as follows:
m2/m2', m17 m for the output signal of
1' (m2 and m2' are signals in the same mode, and ml and ml' are signals in the same mode, so the ratio of these can be said to be constant).
If m1 = m1' and m2 = m2', the coefficient circuit 8°9 is unnecessary).

したがって、加算回路10、引算回路11の出力信号V
c 、 Vdは次のようになる。
Therefore, the output signal V of the addition circuit 10 and the subtraction circuit 11
c, Vd are as follows.

この(2)式から明らかなように、Vc 、Vd はそ
れぞれ1次、2次の振動モードのみに対応した信号であ
る。
As is clear from equation (2), Vc and Vd are signals corresponding only to the primary and secondary vibration modes, respectively.

そして、とのVc 、Vd に対応した信号Ve 、
Vf がアンプ14,15から出力され、これを受けた
加算回路16および引算回路17が、1次および2次の
振動モードで振動子1を確実に振動させるような電圧を
、圧電素子4,5に印加する。
And the signal Ve corresponding to Vc, Vd,
Vf is output from the amplifiers 14 and 15, and the addition circuit 16 and subtraction circuit 17 that receive this apply voltages to the piezoelectric elements 4 and 15 that reliably cause the vibrator 1 to vibrate in the primary and secondary vibration modes. 5.

この実施例における駆動部は、振動子1の振動の検出を
1次および2次の振動モードに起因する信号分のみにつ
いて行っていると同時に、駆動においては、1次および
2次の振動モードで変形するような力を振動子1に加え
る構成となっているので、きわめて安定した状態で、振
動子1が二重振動モード(1次および2次)で振動して
いる。
The drive unit in this embodiment detects the vibration of the vibrator 1 only for signals caused by the primary and secondary vibration modes. Since the structure is such that a deforming force is applied to the vibrator 1, the vibrator 1 vibrates in a double vibration mode (primary and secondary) in an extremely stable state.

このときの振動子1の固有振動数を、fl (1次の振
動モードについての振動数)、f2 (2次の振動モー
ドについての振動数)とすれば、次式%式% すなわち、感度が25%低下するという多少のデメリッ
トはあるが、ヤング率の影響を0.2%に激減できると
いう大きなメリットがある。
If the natural frequencies of the vibrator 1 at this time are fl (frequency for the first vibration mode) and f2 (frequency for the second vibration mode), then the following formula % formula % In other words, the sensitivity is Although there is a slight disadvantage of a decrease of 25%, there is a great advantage of being able to drastically reduce the influence of Young's modulus to 0.2%.

出力回路18は、fl、f2に対応したアンプ14,1
50出力信号Ve 、Vf を受け、(4)式を用いて
外力Fを求め、・これに対応した信号を出力する。
The output circuit 18 includes amplifiers 14 and 1 corresponding to fl and f2.
50 receives the output signals Ve and Vf, calculates the external force F using equation (4), and outputs a signal corresponding to this.

なお、上記の説明においては、振動子1を二重の振動モ
ード(1次および2次)で同時に振動させる場合を示し
たが、時分割方式、例えば1次と2次の振動モードで交
互に振動させるように構成することもできる。
In the above explanation, the case where the vibrator 1 is vibrated simultaneously in dual vibration modes (primary and secondary) is shown, but it is also possible to vibrate the vibrator 1 in a time-sharing manner, for example, alternately in the primary and secondary vibration modes. It can also be configured to vibrate.

また、板状の振動子1を用いた例を示したが、他の形状
(例えば円筒状)の振動子を用いても同様である。
Further, although an example using a plate-shaped vibrator 1 has been shown, the same effect can be obtained using a vibrator having another shape (for example, a cylindrical shape).

さらに、振動子1の振動検出および駆動を、圧電素子を
用いて行った例を示したが、もちろん他の手段を用いて
構成することもできる。
Furthermore, although an example has been shown in which vibration detection and driving of the vibrator 1 are performed using a piezoelectric element, it is of course possible to configure the vibrator 1 using other means.

また、1次および2次の振動モードで行う例を示したが
、他の振動モードで行っても同様である。
Further, although an example has been shown in which the vibration is performed in the primary and secondary vibration modes, the same effect can be applied to other vibration modes.

さらに、振動検出用圧電素子を複数個用いた例を示した
が、フィルタ12,13だげでもって1次、2次の信号
分に分離できる場合は、一個あれば十分である。
Furthermore, although an example using a plurality of piezoelectric elements for vibration detection has been shown, if the filters 12 and 13 alone can separate the signal into primary and secondary signals, one is sufficient.

また駆動用圧電素子を複数個用いて駆動側のモードリジ
ェクションをも行った例を示したが、実用上は一個でも
十分に動作する。
In addition, an example was shown in which mode rejection on the drive side was performed using a plurality of drive piezoelectric elements, but in practice, even one piezoelectric element is sufficient for operation.

以上説明したように、本発明によれば、ヤング率の影響
を受けない振動式の力変換器、すなわち、温度特性に勝
れドリフトを生じない力変換器を実現できる。
As explained above, according to the present invention, it is possible to realize a vibrating force transducer that is not affected by Young's modulus, that is, a force transducer that has excellent temperature characteristics and does not cause drift.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

図は本発明に係る力変換器の一実施例を示す構成図であ
る。 1・・・・・・振動子、2,3・・・・・・振動検出用
圧電素子、4.5・・・・・・駆動用圧電素子、6,7
・・・・・・チャージアンプ、8,9・・・・・・係数
回路、10,16・・・・・・加算回路、11,17・
・・・・・引算回路、12,13・・・・・・フィルタ
、14,15・・・・・・アンプ、18・・・・・・出
力回路。
The figure is a configuration diagram showing one embodiment of a force transducer according to the present invention. 1... Vibrator, 2, 3... Piezoelectric element for vibration detection, 4.5... Piezoelectric element for drive, 6, 7
...Charge amplifier, 8,9...Coefficient circuit, 10,16...Addition circuit, 11,17...
...Subtraction circuit, 12, 13... Filter, 14, 15... Amplifier, 18... Output circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 力を振動子に与え、この振動子の固有振動数から力
に対応した信号を得るような力変換器において、振動子
を同時に又は時分割に複数振動モードで振動させたとき
の各振動モードにおける固有振動数から、力を求めるよ
うに構成した力変換器。 2 振動子に複数の振動検出用圧電素子を取り付けこれ
ら圧電素子の出力信号を加算又は減算することにより少
くとも二種類の振動モードにおける固有振動数に対応し
た信号を分離して取り出し、この信号でもって、前記振
動子に取り付けられた駆動用圧電素子を動作させるよう
に構成したことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の力変換器。
[Claims] 1. In a force transducer that applies force to a vibrator and obtains a signal corresponding to the force from the natural frequency of the vibrator, the vibrator is vibrated in multiple vibration modes simultaneously or in a time-sharing manner. A force transducer configured to calculate force from the natural frequency of each vibration mode when 2 Attach a plurality of piezoelectric elements for vibration detection to the vibrator and add or subtract the output signals of these piezoelectric elements to separate and extract signals corresponding to the natural frequencies of at least two types of vibration modes, and use this signal to The force transducer according to claim 1, wherein the force transducer is configured to operate a drive piezoelectric element attached to the vibrator.
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